機(jī)械手無標(biāo)定動(dòng)態(tài)視覺伺服研究.pdf

1、機(jī)械手視覺伺服是一種利用視覺信息對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)施反饋控制的重要方法，與傳統(tǒng)控制方法相比，能提供更高的設(shè)計(jì)靈活性、任務(wù)精度以及智能化水平，受到了廣泛關(guān)注，是機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向。與基于標(biāo)定的運(yùn)動(dòng)學(xué)視覺伺服方法相比，無標(biāo)定動(dòng)態(tài)視覺伺服方法無需對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定從而避免了精確標(biāo)定的繁瑣性、困難性，可在僅提供這些參數(shù)的粗略值或最佳估計(jì)值甚至任意估計(jì)值的條件下保證很高的系統(tǒng)性能，并且由于考慮了機(jī)器人的非線性動(dòng)力學(xué)，還能更好地適用于高速、高

2、性能的視覺伺服場(chǎng)合，是一個(gè)有前景的視覺伺服方法，成為了目前視覺伺服領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)無標(biāo)定動(dòng)態(tài)視覺伺服方法做進(jìn)一步的深入研究。
　　本文首先對(duì)傳統(tǒng)視覺伺服方法的基本問題進(jìn)行介紹，綜述了無標(biāo)定視覺伺服方法的研究結(jié)果。然后，論述了視覺伺服方法中最基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法，詳細(xì)推導(dǎo)了場(chǎng)景、手眼兩種視覺系統(tǒng)下的基于位置的以及基于圖像的視覺伺服運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，加深了對(duì)視覺伺服方法核心問題的理解，便于進(jìn)行各種視覺控制器的設(shè)

3、計(jì)，也為本文的研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　現(xiàn)有的近似雅可比控制方法能在僅利用系統(tǒng)參數(shù)粗略值或最佳估計(jì)值的情況下保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，但卻均需利用關(guān)節(jié)角速度精確測(cè)量值。本文提出了一種無關(guān)節(jié)角速度測(cè)量下的近似雅可比控制策略，設(shè)計(jì)了兩種滑模觀測(cè)器策略對(duì)關(guān)節(jié)角速度進(jìn)行在線估計(jì)，并詳細(xì)分析了這兩種設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，有利于提高視覺定位系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的控制性能。
　　現(xiàn)有的基于自適應(yīng)雅可比的任務(wù)空間跟蹤方法能同時(shí)處理運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的

4、不確定性，但需用到任務(wù)空間速度或關(guān)節(jié)空間速度甚至兩者的精確測(cè)量值，其系統(tǒng)性能會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中受到測(cè)量噪聲的嚴(yán)重影響。為了進(jìn)一步提高控制性能，本文提出了一種無任務(wù)空間和關(guān)節(jié)空間速度測(cè)量下的自適應(yīng)視覺跟蹤方法，設(shè)計(jì)了三種滑模觀測(cè)器策略對(duì)關(guān)節(jié)角速度進(jìn)行在線估計(jì)，詳細(xì)分析了這三種設(shè)計(jì)下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
　　與基于自適應(yīng)雅可比的自適應(yīng)視覺跟蹤方法只能用于深度參數(shù)恒定不變或緩慢變化的場(chǎng)合不同，基于深度獨(dú)立雅可比的無標(biāo)定視覺伺服方法可處理最一般的三

5、維運(yùn)動(dòng)問題，對(duì)深度參數(shù)無任何限制，也能處理攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)的不確定性，是一種有前景的視覺伺服方法。在現(xiàn)有的基于深度獨(dú)立雅可比的多特征點(diǎn)場(chǎng)景視覺跟蹤方法中，設(shè)計(jì)的用于估計(jì)攝像機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)律需利用無法得到的深度參數(shù)精確值，在實(shí)現(xiàn)階段只能利用估計(jì)值進(jìn)行代替，但是此方式再也無法從理論上保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，甚至穩(wěn)定性。為了解決此問題，本文提出了一種改進(jìn)的利用深度參數(shù)估計(jì)值進(jìn)行設(shè)計(jì)的自適應(yīng)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種初始狀態(tài)無關(guān)的自適應(yīng)律，均

6、r>　　能從理論上保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。為了處理場(chǎng)景視覺伺服中特征點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的不確定性，本文提出了一種新的基于深度獨(dú)立雅可比的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法，能同時(shí)處理攝像機(jī)參數(shù)以及特征點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的不確定性。在此基礎(chǔ)上，提出了同時(shí)適用于場(chǎng)景、手眼兩類視覺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型統(tǒng)一框架，研究了此統(tǒng)一框架下的視覺定位、跟蹤控制器設(shè)計(jì)問題。為了解決統(tǒng)一框架中的過參數(shù)化問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的基于深度獨(dú)立雅可比的參數(shù)估計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)參數(shù)與特征點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)之間的解